Motor. Rozdíly mezi Ottovým a Atkinsonovým cyklem
Již nějakou dobu je termín „motor s Atkinsonovým ekonomickým cyklem“ stále běžnějším. Co je to za cyklus a proč snižuje spotřebu paliva?
Nejběžnější čtyřdobé benzínové motory dnes pracují na takzvaném Ottově cyklu, který na konci XNUMX století vyvinul německý vynálezce Nikolaus Otto, konstruktér jednoho z prvních úspěšných pístových spalovacích motorů. Podstatou tohoto cyklu jsou čtyři zdvihy prováděné ve dvou otáčkách klikového hřídele: sací zdvih, kompresní zdvih, pracovní zdvih a výfukový zdvih.
Na začátku sacího zdvihu se otevře sací ventil, kterým je zatažením pístu nasávána směs vzduchu a paliva ze sacího potrubí. Před začátkem kompresního zdvihu se sací ventil uzavře a píst vracející se do hlavy stlačuje směs. Když píst dosáhne své maximální polohy, směs se zapálí elektrickou jiskrou. Vzniklé horké výfukové plyny expandují a tlačí píst, předávají mu svou energii, a když je píst co nejdále od hlavy, otevře se výfukový ventil. Výfukový zdvih začíná vratným pístem vytlačujícím výfukové plyny z válce do výfukového potrubí.
Bohužel ne veškerá energie ve výfukových plynech je během zdvihu využita k tlačení pístu (a prostřednictvím ojnice k otáčení klikového hřídele). Jsou stále pod vysokým tlakem, když se výdechový ventil otevře na začátku výdechového zdvihu. Můžeme se o tom dozvědět, když uslyšíme hluk, který vydává auto s rozbitým tlumičem – je způsoben uvolňováním energie do vzduchu. To je důvod, proč jsou tradiční benzinové motory účinné pouze asi 35 procent. Pokud by bylo možné zvýšit zdvih pístu v pracovním zdvihu a využít tuto energii ...
Tento nápad přišel k anglickému vynálezci Jamesi Atkinsonovi. V roce 1882 zkonstruoval motor, u kterého byl díky složitému systému tlačníků spojujících písty s klikovým hřídelem zdvih delší než zdvih komprese. Díky tomu se na začátku výfukového zdvihu tlak výfukových plynů téměř rovnal atmosférickému tlaku a jejich energie byla plně využita.
Redakce doporučuje:
Talíře. Řidiči čekající na revoluci?
Domácí způsoby zimní jízdy
Spolehlivé miminko za málo peněz
Proč tedy nebyla Atkinsonova myšlenka rozšířena a proč spalovací motory využívají již více než století méně účinný Ottov cyklus? Důvody jsou dva: jedním je složitost Atkinsonova motoru a druhým – a to je důležitější – menší výkon, který dostává z objemové jednotky.
S tím, jak se však stále více dbalo na spotřebu paliva a vliv motorizace na životní prostředí, bylo pamatováno na vysokou účinnost Atkinsonova motoru, zejména ve středních otáčkách. Jeho koncept se ukázal jako vynikající řešení zejména u hybridních vozidel, u kterých elektromotor kompenzuje nedostatek výkonu, potřebného zejména při rozjezdech a akceleraci.
Proto byl motor s upraveným Atkinsonovým cyklem použit v prvním sériově vyráběném hybridním automobilu Toyota Prius a poté ve všech dalších hybridech Toyota a Lexus.
Co je upravený Atkinsonův cyklus? Díky tomuto chytrému řešení si motor Toyota zachoval klasickou jednoduchou konstrukci konvenčních čtyřdobých motorů a píst urazí při každém zdvihu stejnou vzdálenost, přičemž efektivní zdvih je delší než zdvih komprese.
Ve skutečnosti by se mělo říci jinak: efektivní kompresní cyklus je kratší než pracovní cyklus. Toho je dosaženo zpožděním uzavření sacího ventilu, který se uzavře krátce po začátku kompresního zdvihu. Část směsi vzduch-palivo se tak vrací zpět do sacího potrubí. To má dva důsledky: množství výfukových plynů produkovaných při jeho spalování je menší a je schopno plně expandovat před začátkem výfukového zdvihu, přičemž veškerou energii přenáší na píst, a ke stlačení menšího množství směsi je potřeba méně energie, což snižuje vnitřní ztráty motoru. Pomocí tohoto a dalších řešení byla čtvrtá generace hnacího ústrojí Toyota Prius schopna dosáhnout tepelné účinnosti až 41 procent, dříve dostupné pouze u vznětových motorů.
Krása řešení spočívá v tom, že prodleva při uzavírání sacích ventilů nevyžaduje velké konstrukční změny – stačí použít elektronicky řízený mechanismus pro změnu časování ventilů.
A pokud ano, proč ne naopak? No, samozřejmě; přirozeně! Motory s proměnným pracovním cyklem se vyrábějí již nějakou dobu. Když je požadavek na výkon nízký, například při jízdě po klidných silnicích, motor pracuje v Atkinsonově cyklu pro nízkou spotřebu paliva. A když je požadován nejlepší výkon – od světlometů nebo předjíždění – přepne se na Ottov cyklus s využitím veškeré dostupné dynamiky. Tento 1,2litrový přeplňovaný motor s přímým vstřikováním se používá například v Toyotě Auris a novém městském SUV Toyota C-HR. Stejný dvoulitrový motor je použit u Lexusu IS 200t, GS 200t, NX 200t, RX 200t a RC 200t.
